FE 电气与计算机考试练习:速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 40 道练习题,完整解答附在最后。

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1公式与方法

串并联电阻

电阻串联
Req = R1 + R2 + …
电阻并联
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
两个电阻并联
Req = R1R2 / (R1 + R2)
欧姆定律
V = I·R
功率
P = V·I = I²R = V²/R

方法

  1. 从离端子最远的网络末端开始。
  2. 串联电阻直接相加,并联电阻用 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. 每一步之后重新画电路。
  4. 重复直到端子之间只剩一个电阻。

节点分析

基尔霍夫电流定律
ΣIin = ΣIout
支路电流
I = (Va − Vb)/R
参考节点
Vground = 0

方法

  1. 选定参考节点(地),并标出其他节点电压。
  2. 在每个未知节点列基尔霍夫电流定律:流出各支路的电流等于流入的电流。
  3. 把每条支路电流表示为 (Va − Vb)/R。
  4. 解方程组,再求出所需的电流。

网孔分析

基尔霍夫电压定律
沿每个回路 ΣV = 0
公共电阻
电流 = I1 − I2
网孔中的电流源
直接确定该网孔电流

方法

  1. 在电路的每个网孔(窗口)中设一个顺时针电流。
  2. 对每个网孔应用基尔霍夫电压定律:电压降之和为零。
  3. 两个网孔共用的电阻中,电流为两个网孔电流之差。
  4. 解方程;结果为负表示电流实际方向相反。

叠加定理

叠加定理
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
置零的电压源
短路 (0 V)
置零的电流源
开路 (0 A)
分压公式
V2 = V·R2/(R1 + R2)
分流公式
I1 = I·R2/(R1 + R2)

方法

  1. 数一数独立电源的个数。每个电源对应求解一个更简单的电路。
  2. 保留一个电源,将其他电源置零:电压源用短路(导线)代替,电流源用开路(断开)代替。
  3. 在简化后的电路中求所需的电压或电流,并注意其方向。
  4. 对每个电源重复上述步骤,再将各分量按符号相加。

戴维南和诺顿

戴维南电压
Vth = Vopen circuit
戴维南电阻
Rth:所有独立源置零,从 a–b 看进去
诺顿电流
IN = Vth/Rth
负载电流
IL = Vth/(Rth + RL)
最大功率传输
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

方法

  1. 移去负载,并标出两个端子 a 和 b。
  2. 求 a、b 之间的开路电压:这就是 Vth。
  3. 将所有独立电源置零,求从 a–b 看进去的电阻:这就是 Rth。
  4. 把负载接回等效电路:Vth 与 Rth 串联。
  5. 求诺顿等效电路时进行变换:IN = Vth/Rth,RN = Rth 并联。

RC 和 RL 暂态

时间常数
τ = RC | τ = L/R
响应
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
直流下的电容
开路;vC 不能突变
直流下的电感
短路;iL 不能突变
稳态
t ≈ 5τ

方法

  1. 求换路后瞬间的初始值:电容电压和电感电流不能突变。
  2. 求换路后很长时间的终值:电容相当于开路,电感相当于短路。
  3. 求时间常数:τ = RC 或 τ = L/R,使用从电容或电感两端看进去的电阻。
  4. 使用 x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ。

交流阻抗和相量

阻抗
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
角频率
ω = 2πf
模和相角
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
相量形式的欧姆定律
V = I·Z

方法

  1. 换算频率:ω = 2πf。
  2. 求各电抗:XL = ωL,XC = 1/(ωC)。
  3. 像电阻一样把阻抗相加,Z = R + jX。
  4. 求模 |Z| = √(R² + X²) 和相角 φ = atan(X/R),再用相量形式的欧姆定律。

交流功率和功率因数

有功功率
P = V·I·cos φ
无功功率
Q = V·I·sin φ
视在功率
S = V·I = √(P² + Q²)
功率因数
pf = cos φ = P/S
补偿电容
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

三相电

Y 联结
VL = √3·Vph, IL = Iph
Δ 联结
VL = Vph, IL = √3·Iph
总有功功率
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
视在功率和无功功率
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
补偿电容
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
每个电容上的电压
Δ:VL Y:VL/√3
电动机输入
Pin = Pout/η

变压器

匝数比
a = N1/N2 = V1/V2
电流比
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
额定电流
I = S/V
折算阻抗
Z1′ = a²·ZL
部分负载时的铜损
Pcu = x²·Pcu,fl
效率
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
最高效率
x = √(Pcore/Pcu,fl)

运放电路

反相放大器
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
同相放大器
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
加法放大器
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
理想运放
V+ = V−, Iin = 0

二极管与晶体管

二极管(恒压降模型)
VD = 0.7 V when conducting
放大区
VBE = 0.7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB
固定偏置
IB = (VCC − 0.7)/RB
分压偏置
IB = (VTH − 0.7)/(RTH + (β + 1)RE)
分压器的戴维南等效
VTH = VCC·R2/(R1 + R2), RTH = R1∥R2
集电极回路
VCE = VCC − ICRC − IERE
饱和
IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC, IB ≥ IC(sat)/β

数制

位权
二进制 2k,八进制 8k,十六进制 16k
转为十进制
Σ dk·bk
从十进制转换
除以基数,余数从下往上读
十六进制 ↔ 二进制
一位十六进制数 = 4 位二进制
二进制补码
按位取反后加 1

数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

基本逻辑门
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
布尔规则
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
德摩根律
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
卡诺图的顺序
00, 01, 11, 10 (Gray code)
由 2ᵏ 个格子组成的圈
消去 k 个变量
4 选 1 多路选择器
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
触发器
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
计数器
n 位:2ⁿ 个状态; 模 N:满足 2ⁿ ≥ N 的最小 n; fout = fclk/N
行波计数器
fmax = 1/(n·tpd)
环形计数器与约翰逊计数器
n 个和 2n 个状态

方法

  1. 对于电路,从输入到输出一个门一个门地分析,并在每根线上写出值;或者写出它的表达式并填写真值表。
  2. 化简时,把 1(以及标为 X 的无关项)填入行列按格雷码 00, 01, 11, 10 排列的卡诺图。
  3. 用尽可能少而大的圈(由 1、2、4、8 或 16 个格子组成)覆盖所有 1,可以绕过边界;每个圈对应一个乘积项,由保持不变的变量构成。求 POS 形式时圈 0。
  4. 对于触发器和计数器,在每个有效时钟边沿读取输入,写出每个边沿之后的状态,并记住 n 位计数器在 2ⁿ 个状态之后回绕。

稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

稳定性
特征多项式的所有根都在左半平面
劳斯表,三次多项式的 s¹ 行元素
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
右半平面的根
第一列中符号变化的次数
三次多项式 s³ + a₂s² + a₁s + a₀
当所有 a > 0 且 a₂·a₁ > a₀ 时稳定
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
特征方程
1 + K·G(s) = 0
渐近线
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
分离点和汇合点
dK/ds = 0
幅值条件
K = 1/|G(s)|
出射角
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

方法

  1. 写出闭环特征多项式:即 1 + K·G(s) = 0 的分母,并展开。
  2. 把系数交替填入劳斯表的前两行,再建立其余各行。
  3. 数第一列中的符号变化:每一次对应右半平面内的一个极点。当表中含有 K 时,要求第一列的每个元素都保持为正。
  4. 画根轨迹时,标出极点和零点、实轴上的线段、来自重心的渐近线,以及 dK/ds = 0 处的分离点。用 K = 1/|G(s)| 求某点处的增益。

稳态误差与 PID 控制

系统型别
G(s) 在 s = 0 处的极点个数
误差常数
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
阶跃 A
ess = A/(1 + Kp)
斜坡 A·t
ess = A/Kv
抛物线 A·t²/2
ess = A/Ka
PID 控制器
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
二阶目标
s² + 2ζωns + ωn²
超调量与时间指标
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

方法

  1. 数一数开环 C(s)·G(s) 在 s = 0 处的极点个数:这就是系统型别。
  2. 求出与输入相匹配的误差常数:阶跃用 Kp,斜坡用 Kv,抛物线用 Ka。
  3. 应用 ess = A/(1 + Kp)、A/Kv 或 A/Ka,或者反过来解出所需的增益。
  4. 对于阻尼或转速的指标,写出闭环特征多项式,并与 s² + 2ζω_n·s + ω_n² 匹配。

2练习题

1.串并联电阻中等
R1​ = 10 ΩIR1​R3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAR4​5 ΩB

求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。

V1 = 18 VR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 3 ΩR4 = 5 Ω
IR1 = A
2.串并联电阻困难
R1​ = 4 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​10 VR2​30 ΩIR2​AR4​25 ΩBR6​8 Ω

求流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 30 ΩR3 = 6 ΩR4 = 25 ΩR5 = 30 ΩR6 = 8 Ω
IR2 = A
3.节点分析中等
−+Vs​ = 3 VIs​2 AAR1​4 ΩR2​15 ΩB

A 与 B 之间的电压源 Vₛ 的 + 端在 B,所以它使 VB − VA = Vₛ。 用含超节点的节点分析法求 节点电压 VA(相对于地)。

Is = 2 AVs = 3 VR1 = 4 ΩR2 = 15 Ω
VA = V
4.节点分析困难
R1​ = 4 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​9 VR2​25 ΩAR4​5 ΩBIs​?

调节电流源,使节点 A 的电压为 VA = 9 V。用节点分析法求电源电流 Is(方向如图所示)。

V1 = 9 VR1 = 4 ΩR2 = 25 ΩR3 = 5 ΩR4 = 5 ΩVA = 9 V
Is = A
5.网孔分析中等
R1​ = 6 ΩR2​ = 6 ΩIR2​+−V1​12 VR3​6 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R2 的电流 IR2。

V1 = 12 VV2 = 15 VR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 6 Ω
IR2 = A
6.网孔分析困难
R1​ = 25 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR4​10 ΩAR5​2 ΩIR5​B+−V2​36 VI1​I2​I3​

用网孔分析法求 沿箭头方向流过 R5 的电流 IR5。

V1 = 10 VV2 = 36 VR1 = 25 ΩR2 = 2 ΩR3 = 3 ΩR4 = 10 ΩR5 = 2 Ω
IR5 = A
7.叠加定理中等
R1​ = 20 ΩR3​ = 12 ΩIR3​+−V1​6 VR2​10 ΩAR4​4 ΩBIs​2.5 A

用叠加定理求 R3 吸收的功率 PR3。

V1 = 6 VIs = 2.5 AR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 ΩR4 = 4 Ω
PR3 = W
8.叠加定理困难
R1​ = 3 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​5 VR3​6 Ω−+VR3​AIs​1.5 AB+−V2​9 V

用叠加定理求 R3 两端按图示极性的电压 VR3。

V1 = 5 VIs = 1.5 AV2 = 9 VR1 = 3 ΩR2 = 12 ΩR3 = 6 ΩR4 = 2 Ω
VR3 = V
9.戴维南和诺顿中等
R1​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​3 ΩARL​3 ΩIL​B

在 a–b 之间接入负载 RL = 3 Ω。将电路其余部分替换为戴维南等效电路,求负载电流 IL。

V1 = 30 VR1 = 4 ΩR2 = 3 ΩR3 = 20 ΩRL = 3 Ω
IL = A
10.戴维南和诺顿困难
R1​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAIs​2 ABRL​5 ΩIL​

在 a–b 之间接入负载 RL = 5 Ω。将电路其余部分替换为戴维南等效电路,求负载电流 IL。

V1 = 6 VIs = 2 AR1 = 2 ΩR2 = 20 ΩR3 = 10 ΩRL = 5 Ω
IL = A
11.RC 和 RL 暂态中等
+−Vs​10 Vt = 0R = 10 ΩL22 mHi(t)

开关在 t = 0 闭合前,电感中没有电流。 开关闭合后多长时间电流达到终值的 50%?求 t。

Vs = 10 VR = 10 ΩL = 22 mH
t = ms
12.RC 和 RL 暂态困难
+−Vs​20 V在 t = 0 断开R1​ = 2.2 kΩR2​ = 2.2 kΩC220 µF+−vC​

开关已闭合很长时间,所以电路处于稳态。在 t = 0 开关断开。 求 t = 750 ms 时的电容电压 vC。

Vs = 20 VR1 = 2.2 kΩR2 = 2.2 kΩC = 220 µFt = 750 ms
vC = V
13.交流阻抗和相量中等
Vf0​ = 100 HzRL = 2 mHC = ?

一个 L = 2 mH 的 RLC 串联电路必须在 100 Hz 发生谐振。求所需的电容 C。

f0 = 100 HzL = 2 mH
C = µF
14.交流阻抗和相量困难
230 V100 HzR1​ = 15 ΩR2​ = 30 ΩC = 22 µF

电阻 R1 与 R2 和电容 C 的并联组合串联,接在 230 V(有效值)、100 Hz 的电源上。 求阻抗的模 |Z|。

V = 230 V (rms)f = 100 HzR1 = 15 ΩR2 = 30 ΩC = 22 µF
|Z| = Ω
15.交流功率和功率因数中等
240 VZ16 + j12 ΩI

一个阻抗为 Z = 16 + j12 Ω 的负载接在 240 V(有效值)的单相电源上。 求它吸收的无功功率 Q。

V = 240 VZ = 16 + j12 Ω
Q = var
16.交流功率和功率因数困难
P1​ = 26 kWQ1​S1​φ

一台 75 kVA 的单相变压器为一个 26 kW、功率因数为 0.85(滞后)的负载供电。在变压器达到其额定 kVA 之前,还能再增加多少电阻性(功率因数为 1)负载的有功功率 ΔP?

Smax = 75 kVAP1 = 26 kWpf1 = 0.85
ΔP = kW
17.三相电中等
ABCVL​ = 690 VIL​ = 15 Acos φ = 0.95滞后

一个对称三相负载从线电压为 690 V 的电源取用 15 A 的线电流,功率因数为 0.95(滞后)。求负载取用的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 690 VIL = 15 Acos φ = 0.95
P = kW
18.三相电困难
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​

一个对称三相负载从 415 V(线电压)、60 Hz 的电源取用 300 kW,功率因数为 0.75(滞后)。与负载并联的三相电容器组须把总功率因数提高到 0.92(滞后)。有功功率保持不变。 电容采用 Y 联结。求每个电容的电容量 Cph,以 µF 计。

P = 300 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.92VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.变压器中等
10 Ω101

一个 10 Ω 的电阻接在匝数比 N₁:N₂ = 10:1 的理想变压器二次绕组两端。求从一次绕组看进去的电阻 R1′。

N1:N2 = 10:1RL = 10 Ω
R1′ = Ω
20.变压器困难
pf 0.9550 kVA, 75% 负载

一台单相 50 kVA 变压器的铁损为 200 W,额定负载下铜损为 400 W。 它以 0.95(滞后)的功率因数提供额定 kVA 的 75%。求此负载下的总损耗 Ploss,以 W 计。

S = 50 kVAPcore = 200 WPcu,fl = 400 Wx = 0.75pf = 0.95
Ploss = W
21.运放电路中等
−+Vout​Rf​ = 10 kΩVin​R1​ = 4.7 kΩ

运放为理想运放,采用 ±15 V 电源;其输出饱和电压为 ±14 V。 反相放大器由正弦波驱动。求输出不削波时的最大输入幅值 Vin,max(峰值)。

R1 = 4.7 kΩRf = 10 kΩVsat = ±14 V
Vin,max = V
22.运放电路困难
Vin​V1​Vout​第 1 级:反相R1​ = 1 kΩRf1​ = 1 kΩ第 2 级:同相R2​ = 4.7 kΩRf2​ = 47 kΩ

两个理想运放级级联连接:一个反相放大器(R1,Rf1),后接一个同相放大器(R2 接地,Rf2 在反馈支路中)。两级都采用 ±15 V 电源。 输入为 Vin = 0.85 V。求输出电压 Vout。

R1 = 1 kΩRf1 = 1 kΩR2 = 4.7 kΩRf2 = 47 kΩVin = 0.85 V
Vout = V
23.二极管与晶体管中等
+−18 V150 Ω5.1 V3300 ΩIZ​ = ?

一个 5.1 V 的齐纳稳压器通过 150 Ω 接到 18 V,并向 3300 Ω 的负载供电。求齐纳电流 IZ。

Vin = 18 VVZ = 5.1 VR = 150 ΩRL = 3300 Ω
IZ = mA
24.二极管与晶体管困难
+−≤ 19 V100 Ω6.2 V

一个 6.2 V 的齐纳稳压器有一个 100 Ω 的串联电阻。输入可能升到 19 V,负载可能被断开。求齐纳管必须耗散的最大功率 PZ,max。

Vin,max = 19 VVZ = 6.2 VR = 100 Ω
PZ,max = mW
25.数制中等
补码中的位权1−12816403201618140211

8 位模式 1100 1101 以补码形式存储一个有符号整数。它的十进制值 N 是多少?

1100 11018 bit
N =
26.数制困难
12 位补码, N = ??符号位???????????

12 位补码能存储的最小(最负)整数 N 是多少?

12 bit
N =
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器中等
ABCD000111100001111000111302141507160121130150140809111010

用卡诺图求 F(A, B, C, D) = Σm(1, 3, 4, 5, 6, 11, 13) 的最简积之和 (SOP) 形式。它总共包含多少个文字 L(带撇的变量算一个文字)?

F(A, B, C, D) = Σm(1, 3, 4, 5, 6, 11, 13)
L =
28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器困难
DQ0​Q0​DQ1​Q1​DQ2​Q2​CLKJOHNSON

一个约翰逊(扭环)计数器由 3 个 D 触发器构成,最后一个输出取反后反馈到第一个输入,并从全 0 开始。它经历多少种不同的状态 N?

n = 3
N =
29.拉普拉斯变换中等
ReIm−1−212

用配方法求 F(s) = (4s + 9)/(s² + 2s + 5) 对应的 f(t),并计算 f(0.4)。

F(s) = (4s + 9)/(s² + 2s + 5)t = 0.4 s
f(0.4) =
30.拉普拉斯变换困难
ReIm−2−424

某系统由微分方程 y″ + 2y′ + 17y = 4u′ + 17u 描述,输入为 u(t),输出为 y(t)。求它的传递函数 G(s) = Y(s)/U(s)(零初始条件),并在 t = 1.5 s 时计算冲激响应 g(t)。求 g(1.5)。

y″ + 2y′ + 17y = 4u′ + 17ut = 1.5 s
g(1.5) =
31.方框图中等
R(s)+28s + 10G(s)C(s)2H−

被控对象 G(s) = 28/(s + 10) 由一个负反馈回路控制,该回路的传感器增益为 H = 2。 求闭环的时间常数 τ。

G(s) = 28/(s + 10)H = 2
τ = s
32.方框图困难
R(s)+12控制器+D(s)+8s + 10被控对象C(s)−

比例控制器 K = 12 在单位负反馈回路中驱动被控对象 G(s) = 8/(s + 10)。扰动 D 在被控对象输入处进入(加到控制器输出上)。 令 R = 0,施加大小为 10 的扰动阶跃。求稳态输出 css。

K = 12G(s) = 8/(s + 10)D = 10R = 0
css =
33.阶跃响应中等
t (s)y(t)0.5?

某系统的传递函数为 G(s) = 36/(s² + 9s + 72),输入为单位阶跃。 求阶跃响应的百分比超调量 %OS。

G(s) = 36/(s² + 9s + 72)
%OS = %
34.阶跃响应困难
R(s)+60s(s + 2)G(s)C(s)−

单位负反馈回路的 G(s) = 60/(s(s + 2))。用 ts ≈ 4/(ζωₙ),求闭环阶跃响应的 2 % 调节时间 ts。

G(s) = 60/(s(s + 2))
ts = s
35.伯德图与裕度中等
vin​C = 22 nFR = 47 kΩvout​

图中所示的RC 高通滤波器有R = 47 kΩ, C = 22 nF。输入为460 Hz的正弦信号。 求 vout 相对于 vin 的相移 φ,单位为度。

R = 47 kΩC = 22 nFf = 460 Hz
φ = °
36.伯德图与裕度困难
|H| (dB)0.10.1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

一个单位反馈回路的开环传递函数为 L(s) = 52.5/(s(s + 5))。 求增益穿越频率 ωc,即 |L(jω)| = 1 处。

L(s) = 52.5/(s(s + 5))
ωc = rad/s
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹中等
R(s)+Ks + 4(s − 1)(s + 1)C(s)−

对象 G(s) = (s + 4)/((s − 1)(s + 1)) 在 s = 1 处有一个不稳定极点。用比例增益 K 围绕它构成单位负反馈回路。求使闭环稳定的最小增益 Kmin。

G(s) = (s + 4)/((s − 1)(s + 1))
Kmin =
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹困难
ReIm−2−4−6−8−10−12j2

L(s) = K/(s(s + 8)(s + 10)) 的根轨迹在 s = 0 与 s = −8 之间离开实轴。求分离点 sb。

L(s) = K/(s(s + 8)(s + 10))
sb =
39.稳态误差与 PID 控制中等
r(t) = 5 + 2t+50(s + 1)s(s + 2)C(s)−

输入 r(t) = 5 + 2t(阶跃加斜坡)加到 G(s) = 50(s + 1)/(s(s + 2)) 的单位负反馈回路上。求稳态误差 ess。

G(s) = 50(s + 1)/(s(s + 2))r(t) = 5 + 2t
ess =
40.稳态误差与 PID 控制困难
R(s)+K1s(s + 2)C(s)−

比例控制器 K 在单位负反馈回路中控制对象 G(s) = 1/(s(s + 2))。求使闭环阻尼比 ζ = 0.5 的增益 K。

G(s) = 1/(s(s + 2))ζ = 0.5
K =

3溶液

1.串并联电阻

答案: IR1 = 1.183 A

串联和并联电阻:串联时每个电阻流过相同电流,R = R₁ + R₂ + …。并联时每个电阻两端电压相同,1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …。梯形网络每次合并一对,直到只剩一个等效电阻。

R1​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAR4​5 ΩB

从远端开始合并电阻

从离电源最远的一端开始,逐步向电源合并。流过相同电流的电阻为串联;接在同一对节点之间的电阻为并联。

R3 + R4 = 3 + 5 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 15·8/(15+8) = 5.217 Ω
Req = R1 + 5.217 = 10 + 5.217 = 15.22 Ω

电源电流

电源只看到 Req,由欧姆定律得到它输出的电流。该电流流过 R₁。

IR1 = V1/Req = 18/15.22 = 1.183 A

答案

IR1 = 1.183 A
2.串并联电阻

答案: IR2 = 0.2519 A

串联和并联电阻:串联时每个电阻流过相同电流,R = R₁ + R₂ + …。并联时每个电阻两端电压相同,1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …。梯形网络每次合并一对,直到只剩一个等效电阻。

R1​ = 4 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​10 VR2​30 ΩAR4​25 ΩBR6​8 Ω

从远端开始合并电阻

从离电源最远的一端开始,逐步向电源合并。流过相同电流的电阻为串联;接在同一对节点之间的电阻为并联。

R5 + R6 = 30 + 8 = 38 Ω
R4 ∥ 38 = 15.08 Ω
R3 + 15.08 = 21.08 Ω
R2 ∥ 21.08 = 12.38 Ω
Req = R1 + 12.38 = 4 + 12.38 = 16.38 Ω

电源电流

电源只看到 Req,由欧姆定律得到它输出的电流。该电流流过 R₁。

IR1 = V1/Req = 10/16.38 = 0.6105 A

流过 R₂ 的电流

减去 R₁ 上的压降得到节点 A 的电压,即 R₂ 两端的电压。

VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 0.6105·4 = 7.558 V
IR2 = VA/R2 = 7.558/30 = 0.2519 A

答案

IR2 = 0.2519 A
3.节点分析

答案: VA = 5.684 V

节点分析法:选定参考节点,标出未知节点电压,利用欧姆定律 (I = ΔV/R) 在每个未知节点列基尔霍夫电流定律方程,并求解方程组。

构成超节点

A 与 B 之间的电压源中的电流未知,所以不能分别在 A 或 B 单独列 KCL。把 A、B 和电压源一起包成一个超节点:流入它的电流等于流出它的电流。

VB = VA + Vs = VA + 3
VA/R1 + VB/R2 = Is

求解

VA/4 + (VA + 3)/15 = 2
VA = (2 − 3/15)/(1/4 + 1/15) = 5.684 V
VB = 5.684 + 3 = 8.684 V

答案

VA = 5.684 V
4.节点分析

答案: Is = 2.52 A

节点分析法:选定参考节点,标出未知节点电压,利用欧姆定律 (I = ΔV/R) 在每个未知节点列基尔霍夫电流定律方程,并求解方程组。

节点 A 的 KCL

VA 已知,所以这个方程给出 VB。

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(9 − 9)/4 + 9/25 = (VB − 9)/5
0.36 = (VB − 9)/5 → VB = 10.8 V

节点 B 的 KCL

经电阻从 B 流出的电流等于电源注入 B 的电流。

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (10.8 − 9)/5 + 10.8/5 = 2.52 A

答案

Is = 2.52 A
5.网孔分析

答案: IR2 = −1 A

网孔分析法:给平面电路的每个窗口设一个回路电流,沿每个回路列基尔霍夫电压定律(电压降之和 = 电压升之和)并求解。支路电流就是网孔电流,或共用支路上两个网孔电流之差。

R1​ = 6 ΩR2​ = 6 Ω+−V1​12 VR3​6 ΩA+−V2​15 VI1​I2​

设定网孔电流

在每个窗口画一个顺时针电流:I1, I2。两个网孔共用的电阻流过两者电流之差。

网孔 1 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
6·I1 + 6(I1 − I2) = 12
12·I1 − 6·I2 = 12

网孔 2 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
6·I2 + 6(I2 − I1) = (−15)
−6·I1 + 12·I2 = −15

求解

Δ = (12)(12) − (−6)(−6) = 108
I1 = Δ1/Δ = 54/108 = 0.5 A
I2 = Δ2/Δ = −108/108 = −1 A

答案

IR2 = I2 = −1 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

6.网孔分析

答案: IR5 = 6.53 A

网孔分析法:给平面电路的每个窗口设一个回路电流,沿每个回路列基尔霍夫电压定律(电压降之和 = 电压升之和)并求解。支路电流就是网孔电流,或共用支路上两个网孔电流之差。

R1​ = 25 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR4​10 ΩAR5​2 ΩB+−V2​36 VI1​I2​I3​

设定网孔电流

在每个窗口画一个顺时针电流:I1, I2, I3。两个网孔共用的电阻流过两者电流之差。

网孔 1 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
25·I1 + 10(I1 − I2) = 10
35·I1 − 10·I2 = 10

网孔 2 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
2·I2 + 10(I2 − I1) + 2(I2 − I3) = 0
−10·I1 + 14·I2 − 2·I3 = 0

网孔 3 的 KVL

顺时针绕行时,电阻上的电压降等于电源的电压升(沿绕行方向从 − 到 +)。

R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
3·I3 + 2(I3 − I2) = (−36)
−2·I2 + 5·I3 = −36

求解

Δ = 系数矩阵的行列式 = 1810
I1 = Δ1/Δ = −60/1810 = −0.03315 A
I2 = Δ2/Δ = −2020/1810 = −1.116 A
I3 = Δ3/Δ = −13840/1810 = −7.646 A

答案

IR5 = I2 − I3 = 6.53 A

网孔电流为负表示逆时针流动。

7.叠加定理

答案: PR3 = 1.495 W

叠加定理:在线性电路中,任何电压或电流都等于各独立源单独作用时响应之和。要置零一个电源,将理想电压源换成短路,理想电流源换成开路。电阻保持不变。

R1​ = 20 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩAR4​4 ΩB开路

情况 1 · V1 单独作用

Iₛ 变为开路,因此 R₃ 和 R₄ 构成一条从 A 到地的串联支路,与 R₂ 并联。

R3+R4 = 12+4 = 16 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 10·16/(10+16) = 6.154 Ω
VA = 6·6.154/(20+6.154) = 1.412 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 1.412·4/16 = 0.3529 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (1.412 − 0.3529)/12 = 0.08824 A
R1​ = 20 ΩR3​ = 12 Ω短路R2​10 ΩAR4​4 ΩBIs​2.5 A

情况 2 · Is 单独作用

V₁ 变为短路,因此 R₁ 与 R₂ 并联。Iₛ 在 B 点分流到 R₄ 和经过 R₃ 的路径。

R1 ∥ R2 = 20·10/(20+10) = 6.667 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 4 ∥ 18.67 = 3.294 Ω
VB = Is·Req = 2.5·3.294 = 8.235 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 8.235·6.667/18.67 = 2.941 V
IR3″ = (VA − VB)/R3 = (2.941 − 8.235)/12 = −0.4412 A

把电流的各个贡献相加

IR3 = IR3′ + IR3″ = 0.08824 + (−0.4412) = −0.3529 A

电阻中的功率

功率取决于电流的平方,所以不满足叠加定理:先把电流相加,再取平方。

PR3 = IR3²·R3 = (−0.3529)²·12 = 1.495 W

答案

PR3 = 1.495 W

把各单独情况下的功率相加会得到 2.429 W,这是错误的。

8.叠加定理

答案: VR3 = −4.417 V

叠加定理:在线性电路中,任何电压或电流都等于各独立源单独作用时响应之和。要置零一个电源,将理想电压源换成短路,理想电流源换成开路。电阻保持不变。

R1​ = 3 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​5 VR3​6 ΩA开路B短路

情况 1 · V1 单独作用

V₂ 变为短路,Iₛ 变为开路。从 A 看去,R₃ 与串联的 R₂+R₄ 并联。

R3 ∥ (R2+R4) = 6 ∥ 14 = 4.2 Ω
VA = 5·4.2/(3+4.2) = 2.917 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2.917·2/14 = 0.4167 V
VR3′ = 0 − VA = 0 − 2.917 = −2.917 V
R1​ = 3 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 2 Ω短路R3​6 ΩAIs​1.5 AB短路

情况 2 · Is 单独作用

两个电压源都变为短路。Iₛ 在 B 点分流到 R₄(现在接地)和与 R₁ ∥ R₃ 串联的 R₂。

R1 ∥ R3 = 2 Ω,所以左侧路径为 R2+2 = 14 Ω
Req = R4 ∥ 14 = 1.75 Ω
VB = Is·Req = 1.5·1.75 = 2.625 V
VA = VB·2/14 = 0.375 V
VR3″ = 0 − VA = 0 − 0.375 = −0.375 V
R1​ = 3 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 2 Ω短路R3​6 ΩA开路B+−V2​9 V

情况 3 · V2 单独作用

V₁ 变为短路,Iₛ 变为开路。R₁ ∥ R₃ 接在 A 上,再与 R₂ 串联回到 B。

R1 ∥ R3 = 3·6/(3+6) = 2 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 9·14/16 = 7.875 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 7.875·2/14 = 1.125 V
VR3‴ = 0 − VA = 0 − 1.125 = −1.125 V

叠加各分量

VR3 = VR3′ + VR3″ + VR3‴
VR3 = (−2.917) + (−0.375) + (−1.125) = −4.417 V

结果为负表示实际上 极性与标注相反。

9.戴维南和诺顿

答案: IL = 0.5202 A

戴维南定理:任何线性二端网络都等效为一个电压源 Vth 串联一个电阻 Rth。诺顿定理则把同一网络等效为电流源 IN = Vth/Rth 与 Rth 并联。

R1​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω短路R2​3 ΩAabRth​

将所有电源置零,求 Rth

电压源换成短路,电流源换成开路,然后从 a–b 看进电路。

R1 ∥ R2 = 4·3/(4+3) = 1.714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.714 + 20 = 21.71 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​3 ΩAab+−Vth​

求开路电压 Vth

a–b 开路时 R₃ 中没有电流,因此其上无压降,V_b = V_A。R₁ 和 R₂ 构成分压电路。

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 30·3/(4+3) = 12.86 V
Rth​ = 21.71 Ω+−Vth​12.86 VRL​3 ΩIL​

将负载接到戴维南等效电路上

戴维南电源与串联的 R_th 在 a–b 处的表现与原电路完全相同,因此负载看到的是一个简单串联回路。

IL = Vth/(Rth + RL) = 12.86/(21.71 + 3) = 0.5202 A
10.戴维南和诺顿

答案: IL = 1.73 A

戴维南定理:任何线性二端网络都等效为一个电压源 Vth 串联一个电阻 Rth。诺顿定理则把同一网络等效为电流源 IN = Vth/Rth 与 Rth 并联。

R1​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω短路R2​20 ΩA开路BabRth​

将所有电源置零,求 Rth

电压源换成短路,电流源换成开路,然后从 a–b 看进电路。

R1 ∥ R2 = 2·20/(2+20) = 1.818 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.818 + 10 = 11.82 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩAIs​2 ABab+−Vth​

求开路电压 Vth

a–b 开路时,Iₛ 只能经 R₃ 流入节点 A。用 V₁ 和 Iₛ 叠加求 V_A,再加上 R₃ 上的压降。

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 5.455 + 2·1.818 = 9.091 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 9.091 + 2·10 = 29.09 V
Rth​ = 11.82 Ω+−Vth​29.09 VRL​5 ΩIL​

将负载接到戴维南等效电路上

戴维南电源与串联的 R_th 在 a–b 处的表现与原电路完全相同,因此负载看到的是一个简单串联回路。

IL = Vth/(Rth + RL) = 29.09/(11.82 + 5) = 1.73 A
11.RC 和 RL 暂态

答案: t = 1.525 ms

一阶暂态:在只含一个电容或一个电感的电路中,每个电压和电流都从初始值按指数规律变化到终值:x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ,其中 τ = RC 或 τ = L/R。约 5τ 后电路进入稳态。

时间常数和终值电流

开关闭合很久后,电感相当于短路,因此终值电流只由 R 决定。

τ = L/R = 22 mH / 10 Ω = 2.2 ms
i(∞) = Vs/R = 10/10 = 1 A

求解时间

0.5 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0.5)
t = −2.2·ln(0.5) = 1.525 ms

答案

t = 1.525 ms
12.RC 和 RL 暂态

答案: vC = 2.123 V

一阶暂态:在只含一个电容或一个电感的电路中,每个电压和电流都从初始值按指数规律变化到终值:x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ,其中 τ = RC 或 τ = L/R。约 5τ 后电路进入稳态。

电容的初始电压

稳态时电容相当于开路,所以 R₁ 和 R₂ 构成分压器。开关断开时电容电压不能突变。

vC(0) = 20·2.2/(2.2 + 2.2) = 10 V

开关断开后的时间常数

τ = R2·C = 2.2·220 = 484 ms

放电

vC(t) = 10·e−750/484 = 2.123 V

答案

vC = 2.123 V
13.交流阻抗和相量

答案: C = 1267 µF

相量法分析交流电路:电阻、电感和电容的阻抗分别为 R、jωL 和 1/(jωC),其中 ω = 2πf。串联时阻抗像电阻一样相加,但按复数计算。电流和电压的有效值满足以 |Z| 表示的欧姆定律。

谐振条件

谐振时感抗与容抗相互抵消:ωL = 1/(ωC)。

ω₀ = 2π·100 = 628.3 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(628.3²·0.002) = 1267 µF

答案

C = 1267 µF
14.交流阻抗和相量

答案: |Z| = 41.96 Ω

相量法分析交流电路:电阻、电感和电容的阻抗分别为 R、jωL 和 1/(jωC),其中 ω = 2πf。串联时阻抗像电阻一样相加,但按复数计算。电流和电压的有效值满足以 |Z| 表示的欧姆定律。

电抗

XC = 1/(2π·100·22·10⁻⁶) = 72.34 Ω

并联组合

分子分母同乘以共轭复数,把 Zp 分成实部和虚部。

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 25.6 − j10.62 Ω

总阻抗

Z = 15 + 25.6 − j10.62 = 40.6 − j10.62 Ω
|Z| = √(40.6² + 10.62²) = 41.96 Ω

答案

|Z| = 41.96 Ω
15.交流功率和功率因数

答案: Q = 1728 var

交流功率:视在功率 S = V·I (VA) 分为做有用功的有功功率 P = S·cos φ (W),以及在电源和负载之间来回交换的无功功率 Q = S·sin φ (var)。功率因数为 cos φ。并联电容就地提供无功功率,因此在有功功率不变时线路电流减小。

电流

|Z| = √(16² + 12²) = 20 Ω
I = V/|Z| = 240/20 = 12 A

无功功率

Q = I²·X = 12²·12 = 1728 var

答案

Q = 1728 var
16.交流功率和功率因数

答案: ΔP = 47.25 kW

交流功率:视在功率 S = V·I (VA) 分为做有用功的有功功率 P = S·cos φ (W),以及在电源和负载之间来回交换的无功功率 Q = S·sin φ (var)。功率因数为 cos φ。并联电容就地提供无功功率,因此在有功功率不变时线路电流减小。

现有负载的无功功率

Q1 = 26·tan(arccos 0.85) = 16.11 kvar

最大总有功功率

满额定时 S = Smax,而电阻性负载不改变 Q。

P = √(Smax² − Q1²) = √(75² − 16.11²) = 73.25 kW

增加的有功功率

ΔP = 73.25 − 26 = 47.25 kW

答案

ΔP = 47.25 kW
17.三相电

答案: P = 17.03 kW

对称三相系统:在 Y(星形)联结中,线电压是相电压的 √3 倍,VL = √3·Vph,线电流等于相电流。在 Δ(三角形)联结中,线电压等于相电压,线电流是相电流的 √3 倍,IL = √3·Iph。总功率是一相功率的三倍:P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ。

视在功率

S = √3·VL·IL = √3·690·15 = 17.93 kVA

有功功率

P = S·cos φ = 17.93·0.95 = 17.03 kW

答案

P = 17.03 kW
18.三相电

答案: Cph = 2107 µF

对称三相系统:在 Y(星形)联结中,线电压是相电压的 √3 倍,VL = √3·Vph,线电流等于相电流。在 Δ(三角形)联结中,线电压等于相电压,线电流是相电流的 √3 倍,IL = √3·Iph。总功率是一相功率的三倍:P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ。 功率因数校正:电容就地提供无功功率,QC = P·(tan φ1 − tan φ2)。三个电容各提供 QC/3 = V²·ω·C,其中 V 是该电容两端的电压:Δ 联结电容器组为 VL,Y 联结电容器组为 VL/√3。

补偿前后的无功功率

有功功率不变,因此每个功率因数对应确定的无功功率:Q = P·tan φ。

Q1 = 300·tan(acos 0.75) = 300·0.8819 = 264.6 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0.92) = 300·0.426 = 127.8 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 136.8 kvar

每相电容

在 Y 联结电容器组中,每个电容接在一根相线和星点之间。

V = 415/√3 = 239.6 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 45592/(377·239.6²) = 2107 µF

答案

Cph = 2107 µF
19.变压器

答案: R1′ = 1000 Ω

理想变压器:电压之比等于匝数之比,电流之比等于匝数的反比:V₁/V₂ = N₁/N₂ = a,I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a,因此输入功率等于输出功率,V₁·I₁ = V₂·I₂。二次侧的负载阻抗 Z 从一次侧看相当于 a²·Z。

折算电阻

电压升高 a 倍,电流降低 a 倍,所以比值 V/I 增大 a² 倍。

R1′ = a²·RL = 10²·10 = 1000 Ω

答案

R1′ = 1000 Ω
20.变压器

答案: Ploss = 425 W

变压器损耗:铁损(磁滞和涡流)取决于电压,在任何负载下都相同。绕组中的铜损与电流的平方成正比,因此在额定负载的 x 倍时为 x²·Pcu,fl。效率 η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu),其中 Pout = x·S·pf。铜损等于铁损时的负载下效率最高。

此负载下的铜损

Pcu = x²·Pcu,fl = 0.5625·400 = 225 W

总损耗

铁损在任何负载下都相同。

Ploss = 200 + 225 = 425 W

答案

Ploss = 425 W

此负载下的效率为 η = 98.82%。

21.运放电路

答案: Vin,max = 6.58 V

理想运放规则:在负反馈下,运放调节输出使两个输入端电压相等 (V₋ = V₊),且没有电流流入任一输入端。利用这两点在反相输入端列 KCL 即可得到输出。

增益

|Av| = Rf/R1 = 10/4.7 = 2.128

削波前的最大输入

Vin,max = Vsat/|Av| = 14/2.128 = 6.58 V

答案

Vin,max = 6.58 V
22.运放电路

答案: Vout = −9.35 V

理想运放规则:在负反馈下,运放调节输出使两个输入端电压相等 (V₋ = V₊),且没有电流流入任一输入端。利用这两点在反相输入端列 KCL 即可得到输出。

各级的增益

A1 = −Rf1/R1 = −1/1 = −1
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 47/4.7 = 11

逐级计算

V1 = −1·0.85 = −0.85 V
Vout = 11·(−0.85) = −9.35 V

答案

Vout = −9.35 V
23.二极管与晶体管

答案: IZ = 84.45 mA

齐纳稳压器:反向偏置的齐纳二极管在电流保持高于最小值 IZ,min 时维持其电压 VZ。串联电阻 R 承担输入与输出之间的差值:IR = (Vin − VZ)/R。该电流分给负载 IL = VZ/RL 和齐纳管 IZ = IR − IL。按最坏情况设计:最低输入与最大负载时仍须留有 IZ,min,而最高输入与空载时齐纳管功率最大,PZ = VZ·IZ。

电阻电流

IR = 12.9/150 = 86 mA

负载电流

IL = 5.1/3300 = 1.545 mA

齐纳电流

IZ = 86 − 1.545 = 84.45 mA

答案

IZ = 84.45 mA
24.二极管与晶体管

答案: PZ,max = 793.6 mW

齐纳稳压器:反向偏置的齐纳二极管在电流保持高于最小值 IZ,min 时维持其电压 VZ。串联电阻 R 承担输入与输出之间的差值:IR = (Vin − VZ)/R。该电流分给负载 IL = VZ/RL 和齐纳管 IZ = IR − IL。按最坏情况设计:最低输入与最大负载时仍须留有 IZ,min,而最高输入与空载时齐纳管功率最大,PZ = VZ·IZ。

最坏情况的齐纳电流

IZ = 12.8/100 = 128 mA

齐纳功率

PZ = 6.2·128 = 793.6 mW

答案

PZ,max = 793.6 mW
25.数制

答案: N = −51

位置计数制:每个数位的值等于该数字乘以基数的某次幂。二进制各位的权为 1、2、4、8、16、……;十六进制为 1、16、256、……,A–F 代表 10–15。在 8 位补码中,最左边一位的权是 −128 而不是 +128,负数就是这样存储的。

位权相加

其余各位保持正常的正权值。

−128 + 64 + 8 + 4 + 1 = −51

答案

N = −51
26.数制

答案: N = −2048

位置计数制:每个数位的值等于该数字乘以基数的某次幂。二进制各位的权为 1、2、4、8、16、……;十六进制为 1、16、256、……,A–F 代表 10–15。在 8 位补码中,最左边一位的权是 −128 而不是 +128,负数就是这样存储的。

最负值

−211 = −2048

答案

N = −2048
27.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: L = 12

卡诺图:各格按格雷码(00, 01, 11, 10)排列,所以相邻的格子(包括跨越边界的格子)恰好只有一个变量不同。把 1 圈成由 1、2、4、8 或 16 个格子组成的矩形,圈尽可能大、尽可能少,直到每个 1 都被覆盖。每个圈对应一个乘积项:圈内保持不变的变量。由 2ᵏ 个格子组成的圈会消去 k 个变量。无关项 (X) 可用来使圈变大,但不必被覆盖。改为圈 0 则得到最简 POS 形式。

ABCD000111100001111000111302141507160121130150140809111010

圈 1

每个圈都是由 2ᵏ 个格子组成的矩形;边上的格子与对边上的格子相邻。

B′CD
BC′D
A′C′D
A′BD′

最简 SOP 形式

F = B′CD + BC′D + A′C′D + A′BD′
L = 12

答案

L = 12

还存在另一种大小相同的圈法;它的项数和文字数相同。

28.数字逻辑:门电路、卡诺图与触发器

答案: N = 6

触发器与计数器:触发器只在时钟的有效边沿改变。D 复制其输入 (Q⁺ = D);T 在 T = 1 时翻转;JK 在 00 时保持,01 时复位,10 时置位,11 时翻转。n 位二进制计数器有 2ⁿ 个状态,按模 2ⁿ 计数;模 N 计数器依次计 0, 1, …, N − 1 然后回到 0,需要满足 2ⁿ ≥ N 的最小 n 个触发器。行波计数器的每一级使频率减半,所以模 N 计数器的最后一级输出频率为 fclk/N。n 个触发器的约翰逊计数器有 2n 个状态,环形计数器有 n 个。

3 个触发器的序列

000 → 100 → 110 → 111 → 011 → 001

状态数

N = 6

答案

N = 6
29.拉普拉斯变换

答案: f(0.4) = 3.07

拉普拉斯变换:F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt 把导数变成乘以 s:ℒ{f′} = sF(s) − f(0),ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)。常用变换对:1 ↔ 1/s,e−at ↔ 1/(s + a),t·e−at ↔ 1/(s + a)²,sin ωt ↔ ω/(s² + ω²),cos ωt ↔ s/(s² + ω²);平移 s → s + σ 相当于把时间函数乘以 e−σt。要对有理函数 F(s) 求逆变换,先分解成部分分式:单极点 p 的留数为 A = [(s − p)·F(s)] 在 s = p 处的值。终值定理:f(∞) = lims→0 s·F(s),仅当 s·F(s) 的所有极点都在左半平面时成立。初值定理:f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)。

配方

s² + 2s + 5 = (s + 1)² + 4 = (s + 1)² + 2²

匹配分子

F(s) = 4·(s + 1)/((s + 1)² + 2²) + (5/2)·2/((s + 1)² + 2²)

逆变换

f(t) = e−t·(4·cos 2t + 2.5·sin 2t)
f(0.4) = e−0.4·(4·cos(2·0.4) + 2.5·sin(2·0.4)) = 3.07

答案

f(0.4) = 3.07
30.拉普拉斯变换

答案: g(1.5) = 0.6543

拉普拉斯变换:F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt 把导数变成乘以 s:ℒ{f′} = sF(s) − f(0),ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)。常用变换对:1 ↔ 1/s,e−at ↔ 1/(s + a),t·e−at ↔ 1/(s + a)²,sin ωt ↔ ω/(s² + ω²),cos ωt ↔ s/(s² + ω²);平移 s → s + σ 相当于把时间函数乘以 e−σt。要对有理函数 F(s) 求逆变换,先分解成部分分式:单极点 p 的留数为 A = [(s − p)·F(s)] 在 s = p 处的值。终值定理:f(∞) = lims→0 s·F(s),仅当 s·F(s) 的所有极点都在左半平面时成立。初值定理:f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)。

传递函数

G(s) = Y(s)/U(s) = (4s + 17)/(s² + 2s + 17)

部分分式

s² + 2s + 17 = (s + 1)² + 4²
G(s) = 4·(s + 1)/((s + 1)² + 4²) + (13/4)·4/((s + 1)² + 4²)

冲激响应

g(t) = e−t·(4·cos 4t + 3.25·sin 4t)
g(1.5) = 0.6543

答案

g(1.5) = 0.6543
31.方框图

答案: τ = 0.01515 s

方框图代数:串联的方框相乘(G₁·G₂),并联的方框相加(G₁ + G₂),前向通路为 G、反馈通路为 H 的回路,在负反馈时化简为 T = G/(1 + G·H),在正反馈时为 G/(1 − G·H)。先化简内环,再向外推进。闭环极点是特征方程 1 + G(s)H(s) = 0 的根。对于稳定的回路,大小为 A 的阶跃输入给出稳态输出 A·T(0);单位反馈时,对阶跃的稳态误差为 A/(1 + Kp),其中 Kp = G(0)。

闭环传递函数

T(s) = G/(1 + G·H) = 28/(s + 10 + 56) = 28/(s + 66)

结果

τ = 1/66 = 0.01515 s

答案

τ = 0.01515 s
32.方框图

答案: css = 0.7547

方框图代数:串联的方框相乘(G₁·G₂),并联的方框相加(G₁ + G₂),前向通路为 G、反馈通路为 H 的回路,在负反馈时化简为 T = G/(1 + G·H),在正反馈时为 G/(1 − G·H)。先化简内环,再向外推进。闭环极点是特征方程 1 + G(s)H(s) = 0 的根。对于稳定的回路,大小为 A 的阶跃输入给出稳态输出 A·T(0);单位反馈时,对阶跃的稳态误差为 A/(1 + Kp),其中 Kp = G(0)。

传递函数

C/D = G/(1 + K·G) = 8/(s + 10 + 96)

稳态

css = 10·8/106 = 0.7547

答案

css = 0.7547

较大的 K 会减小扰动的影响,但比例控制器永远不能把它减小到零。

33.阶跃响应

答案: %OS = 14.01 %

阶跃响应:一阶系统 G(s) = K/(τs + 1) 对大小为 U 的阶跃的响应是 y(t) = K·U·(1 − e−t/τ):经过一个时间常数 τ 达到终值 K·U 的 63.2 %,经过 4τ 达到 98 %。二阶系统 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) 的极点为 s = −ζωₙ ± jωd,其中 ωd = ωₙ√(1 − ζ²)。当 0 < ζ < 1 时,阶跃响应有超调:百分比超调量 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²),峰值时间 tp = π/ωd,2 % 调节时间 ts ≈ 4/(ζωₙ)。把分母与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 比较,即可读出 ωₙ 和 ζ。对于质量–弹簧–阻尼器,ωₙ = √(k/m),ζ = c/(2√(km));对于串联 RLC 电路,ωₙ = 1/√(LC),ζ = (R/2)·√(C/L)。

与标准形式比较

分母必须与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 对应。

ωₙ² = 72 → ωₙ = 8.485 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·8.485) = 0.5303

结果

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1.965 = 14.01 %

答案

%OS = 14.01 %
34.阶跃响应

答案: ts = 4 s

阶跃响应:一阶系统 G(s) = K/(τs + 1) 对大小为 U 的阶跃的响应是 y(t) = K·U·(1 − e−t/τ):经过一个时间常数 τ 达到终值 K·U 的 63.2 %,经过 4τ 达到 98 %。二阶系统 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) 的极点为 s = −ζωₙ ± jωd,其中 ωd = ωₙ√(1 − ζ²)。当 0 < ζ < 1 时,阶跃响应有超调:百分比超调量 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²),峰值时间 tp = π/ωd,2 % 调节时间 ts ≈ 4/(ζωₙ)。把分母与 s² + 2ζωₙs + ωₙ² 比较,即可读出 ωₙ 和 ζ。对于质量–弹簧–阻尼器,ωₙ = √(k/m),ζ = c/(2√(km));对于串联 RLC 电路,ωₙ = 1/√(LC),ζ = (R/2)·√(C/L)。

闭环传递函数

T(s) = 60/(s² + 2s + 60): ωₙ = 7.746 rad/s, ζ = 0.1291

调节时间

ζωₙ = 2/2 = 1
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 4 s

答案

ts = 4 s

对这个回路,无论 K 取何值,ζωₙ = a/2:增大 K 会增加超调量,但不会缩短调节时间。

35.伯德图与裕度

答案: φ = 18.5 °

频率响应:在传递函数中代入 s = jω。以分贝表示的幅值为 20·log₁₀|H(jω)|,相位是分子各因子的角度之和减去分母各因子的角度之和。一阶 RC 或 RL 滤波器的转折(−3 dB)频率为 ωc = 1/(RC) 或 R/L,而 fc = ωc/(2π);低通滤波器给出 |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²),φ = −atan(ω/ωc)。在渐近(折线)伯德图中,每个极点在其转折频率处使幅值向下弯折 20 dB/十倍频,每个零点使它向上弯折 20 dB/十倍频,积分环节 1/s 在所有频率上给出 −20 dB/十倍频。增益穿越频率 ωc:|L(jω)| = 1(0 dB);相位裕度 PM = 180° + ∠L(jωc)。相位穿越频率 ω180:∠L(jω) = −180°;增益裕度 GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB。当两个裕度都为正时,闭环稳定。

转折频率

ωc = 1/(RC) = 1/(47000·2.2 × 10⁻⁸) = 967.1 rad/s
fc = 153.9 Hz → f/fc = 460/153.9 = 2.989

相位

φ = 90° − atan(2.989) = 18.5°

答案

φ = 18.5°
36.伯德图与裕度

答案: ωc = 6.44 rad/s

频率响应:在传递函数中代入 s = jω。以分贝表示的幅值为 20·log₁₀|H(jω)|,相位是分子各因子的角度之和减去分母各因子的角度之和。一阶 RC 或 RL 滤波器的转折(−3 dB)频率为 ωc = 1/(RC) 或 R/L,而 fc = ωc/(2π);低通滤波器给出 |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²),φ = −atan(ω/ωc)。在渐近(折线)伯德图中,每个极点在其转折频率处使幅值向下弯折 20 dB/十倍频,每个零点使它向上弯折 20 dB/十倍频,积分环节 1/s 在所有频率上给出 −20 dB/十倍频。增益穿越频率 ωc:|L(jω)| = 1(0 dB);相位裕度 PM = 180° + ∠L(jωc)。相位穿越频率 ω180:∠L(jω) = −180°;增益裕度 GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB。当两个裕度都为正时,闭环稳定。

增益穿越

ω⁴ + 25ω² − 2756 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·2756))/2 = 41.47
ωc = 6.44 rad/s

答案

ωc = 6.44 rad/s
37.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: Kmin = 0.25

劳斯–赫尔维茨判据:当特征多项式的所有根都位于 s 平面左半部分时,线性系统是稳定的。把系数交替写入劳斯表的前两行。新一行的每个元素由上面两行得出;对于三次多项式 a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀,s¹ 行的元素为 b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂。第一列中符号变化的次数等于右半平面内根的个数。当系数中含有增益 K 时,第一列的每个元素都必须保持为正:使 s¹ 行元素为零的增益就是稳定极限,此时 s² 行给出持续振荡的频率。

特征多项式

(s − 1)(s + 1) + K(s + 4) = s² + (0 + K)s + (4K − 1)

条件

对于 s² + c₁s + c₀,所有根都在左半平面,当且仅当 c₁ > 0 且 c₀ > 0。

0 + K > 0 → K > 0
4K − 1 > 0 → K > 0.25
Kmin = 0.25

答案

Kmin = 0.25
38.稳定性:劳斯–赫尔维茨与根轨迹

答案: sb = −2.945

根轨迹:当增益 K 从 0 增大到 ∞ 时,闭环极点(即 1 + K·G(s) = 0 的根)从开环极点移向开环零点或无穷远。实轴上的某一点属于根轨迹,当且仅当其右侧的实极点和实零点的总数为奇数。趋向无穷远的 n − m 条分支沿渐近线延伸,渐近线的角度为 (2q + 1)·180°/(n − m),起点为重心 σₐ = (Σ极点 − Σ零点)/(n − m)。分支在 dK/ds = 0 处离开或汇入实轴。相角条件 ∠G(s) = 180° 决定轨迹的形状,幅值条件 K = 1/|G(s)| 给出轨迹上任意一点对应的增益。

实轴上的增益

K(s) = −s(s + 8)(s + 10) = −(s³ + 18s² + 80s)

驻点

dK/ds = −(3s² + 36s + 80) = 0
s = (−36 ± √(1296 − 960))/6 = −2.945, −9.055

选出在根轨迹上的点

根轨迹位于实轴上 0 与 −8 之间;另一个根不在根轨迹上。

sb = −2.945

答案

sb = −2.945
39.稳态误差与 PID 控制

答案: ess = 0.08

稳态误差:在单位负反馈回路中,设开环传递函数为 G(s),则误差为 E(s) = R(s)/(1 + G(s)),由终值定理得 ess = lims→0 s·E(s)。系统型别是 G(s) 在 s = 0 处的极点个数。误差常数为 Kp = lim G(s)、Kv = lim s·G(s) 和 Ka = lim s²·G(s),均取 s → 0。大小为 A 的阶跃输入给出 ess = A/(1 + Kp),斜坡 A·t 给出 A/Kv,抛物线 A·t²/2 给出 A/Ka。0 型回路跟踪阶跃有有限误差,1 型回路能无误差跟踪阶跃,跟踪斜坡则有有限误差。

速度误差常数

Kv = lim s·G(s) = 25

阶跃部分

Kp = ∞ → estep = 0

斜坡误差

ess = 2/25 = 0.08

答案

ess = 0.08
40.稳态误差与 PID 控制

答案: K = 4

P、PI 和 PID 控制:控制器 C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s 作用于误差。比例增益使回路更快,并减小 0 型对象的误差,但无法将其消除。积分项增加一个 s = 0 处的极点:系统型别升高一级,阶跃输入可以被无误差地跟踪。微分项增加阻尼。选取增益时,写出闭环特征多项式,并与 s² + 2ζωns + ωn² 比较。然后 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²),tp = π/ωd,其中 ωd = ωn√(1 − ζ²),ts ≈ 4/(ζωn)。

特征多项式

s(s + 2) + 1K = s² + 2s + 1K

固有频率

2·0.5·ωₙ = 2 → ωₙ = 2 rad/s

增益

1K = ωₙ² = 4 → K = 4

答案

K = 4

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